Микро- и нанопористые структуры, получаемые в полимерах при помощи пучков ускоренных тяжелых ионов

МИКРО- И НАНОПОРИСТЫЕ СТРУКТУРЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ В ПОЛИМЕРАХ ПРИ ПОМОЩИ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

П.Ю. Апель, Б.Н.Гикал, С.Н. Дмитриев

Лаборатория ядерных реакций имени Г.Н.Флерова, Объединенный институт ядерных исследований, 141980 Дубна, Россия

Введение. Нанотехнология сегодня – это обширная  область, включающая в себя широкое многобразие подходов, различных физических и химических принципов, инструментальных методов. Использование пучков тяжелых ионов является одним из важных направлений модификации структуры твердых тел, в том числе в нанометровом диапазоне размеров. Имеется две возможности преобразования структуры материалов облучением высокоэнергетическими тяжелыми частицами. Первая связана с непосредственным воздействием на кристаллическую структуру за счет передачи энергии путем упругих и неупругих соударений. Вторая возможность включает двухстадийное воздействие, включающее создание локальных радиационных повреждений и затем химическую обработку, которая и приводит к формированию конечной структуры.  Травление треков тяжелых ионов – хорошо известный метод формирования однородных микро- и нанопор в диэлектриках [1]. Одним из практических приложений метода является производство микрофильтрационных мембран («ядерных фильтров»), реализованное в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова (ФЛЯР) ОИЯИ в середине 1970-х годов [1]. В настоящее время интерес исследователей все в большей мере фокусируется на объектах, характеризуемых приставкой «нано». Данное сообщение посвящено работам, выполненным в данном направлении в последние годы в ФЛЯР ОИЯИ.

Ускорители. В настоящее время экспериментально-производственная база ФЛЯР включает ускорители тяжелых ионов У-400 и ИЦ-100 со специализированными каналами облучения полимерных пленок и оборудование для последующей физико-химической обработки (сенсибилизация ультрафиолетовым излучением и химическое травление). Комплекс измерительных методик (растровая электронная микроскопия, различные порометрические методы) используется как для рутинного контроля параметров производимых трековых мембран (ТМ), так и в постоянно ведущихся исследовательских работах, направленных на совершенствование структуры и свойств ТМ, а также на разработку новых продуктов.

В 2004 году в Лаборатории ядерных реакций был введен в эксплуатацию модернизированный циклический имплантатор тяжелых ионов ИЦ-100, который относится к новому поколению ускорителей. Он оснащен сверхпроводящим ЭЦР источником и системой внешней аксиальной инжекции пучка, что позволило получить в компактном циклотроне с диаметром полюса 1 м интенсивные пучки высокозарядных ионов ксенона, йода, криптона, аргона других элементов Периодической системы Д.И.Менделеева [2] с энергией до 1 МэВ/нуклон. Интенсивность ускоренных и выведенных пучков составляет около 3 мкА. В линии транспортировки выведенного пучка установлена система сканирования пучка в двух плоскостях, обеспечивающая однородную имплантацию ионов на большой площади мишени (Рис. 1). В настоящее время ионная обработка полимерных материалов осуществляется пучками криптона и ксенона, имеющими при энергии 1 МэВ/нуклон пробеги в полимере (полиэтилентерефталат) равные 16 и 19 мкм, соответственно.

Рис. 1. Вакуумная камера и механизм транспортировки полимерных пленок для облучения ионами на ускорителе ИЦ-100 [2].

Трековые мембраны. Возможности, обеспечиваемые двумя вышеуказанными ускорителями, позволяют производить трековые мембраны с плотностью пор в диапазоне от 10⁴ до 3х10⁹ см^-2, диаметрами пор от 20 нм до 5-7 мкм при толщине 5-75 мкм. Исходным материалом для массового производства трековых мембран служит полиэтилентерефталатная (ПЭТФ) пленка (см. Рис. 2), однако для специальных целей могут быть успешно использованы и другие полимеры [3]. Например, разработаны полиимидные и полиэтиленнафталатные трековые мембраны для дифракционных фильтров, используемых в рентгеновской астрономии [4]. Создана также технология получения фторопластовых мембран [13].

Рис. 2. Сечение ПЭТФ трековой мембраны с цилиндрическими параллельными порами диаметром 0.8 мкм (слева) и с наклонными (пересекающимися) порами диаметром 0,2 мкм (справа). Толщина мембран – 10 и 23 мкм, соответственно. Первая мембрана изготовлена для экспериментов по исследованию прохождения ультразвукового сигнала сквозь пористую среду [5]. Вторая представляет собой обычную микрофильтрационную ТМ, используемую, например, для очистки питьевой воды. [6].